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1、电子科技大学学士论文电 子 科 技 大 学毕 业 设 计 论 文 - II - 电子科技大学学士论文 摘 要随着现代无线通信的发展，微波功率放大器已成为微波通信设备的重要部件，它的性能优劣在很大程度上影响着通信质量。因而，对微波功率放大器的研究和设计也越来越受关注。本文分析了微波功率放大器的非线性特性，介绍了其阻抗匹配电路的方法，并根据指标要求对晶体管的输入输出网络进行阻抗匹配，用微带线实现匹配电路。用ADS软件进行优化仿真，最后设计出大信号微波功率放大器。通过多次调试、测试实验，所设计的微波功率放大器在2.4GHz的频率上增益达到7dB以上。关键字：微波 功率放大器 大信号 优化设计 CAD
2、AbstractWith the development of wireless communication，microwave power amplifier has been an important component in microwave communication, its capability effects the quality of the communication in a large extent. So it has been paid more and more attention in the research and design of microwave
3、power amplifier.In this paper, firstly the nonlinear characteristics of the microwave power amplifier have been analyzed, and several impedance matching circuits for the power amplifier have been introduced. Then according to the required features, the input and output impedance matching networks ha
4、ve been respectively designed for a given transistor, using microstrip line model to solve this problem. And after having used the ADS software to make S-parameter simulation and optimization, a large signal microwave power amplifier is finally designed. With a series of rigorous experiments and tes
5、ts, the maximum gain of the designed power amplifier can be up to 7dB . Key word: microwave, power amplifier, large signal, optimization design， CAD 目 录第一章 引 言(1)第二章 微波功率放大器的非线性特性 (2)2.1 单级功率放大器的非线性特性(2)2.2级联功率放大器的非线性特性 (6)2.3微波功率放大器线性化技术 (7)第三章 微波功率放大器的设计原理 (9)3.1 功率放大器的稳定性(9)3.2 功率放大器的匹配设计(11)3.3
6、功率放大器的实现方法(14)3.4 功率放大器的偏置电路设计(17)第四章 功率放大器的电路仿真与实验研究 (19)4.1 2.4GHz功率放大器的主要技术指标 (19)4.2GaAs场效应功率晶体管 (20)4.32.4GHz功率放大器的电路仿真(23)4.42.4GHz功率放大器的实验研究(32)第五章 结束语(33)参考文献 (34)致 谢 (36)电子科技大学学士论文第一章 引 言在现代微波无线通信系统中，信息传输正朝着多载波、大容量、高速度方向迅猛发展。微波功率放大器是微波通信设备的重要部件，它的性能在很大程度上影响通信的质量。比如，微波功率放大器增益减小，输出功率下降，则会引起信噪
7、比降低，或是通信距离减小；三阶互调失真大，对时分数字通信设备而言，会产生码间串扰，增大误码率；功放的泄漏会造成自激，使工作不稳定，严重时甚至会使通信中断。性能优良的功率放大器，除了要进行精确合理的电路和结构设计外，还必须要有良好的生产工艺作保证。微波功率放大器近年来已广泛应用于雷达、电子对抗、广播电视等领域，它具有体积小、重量轻、耗电少、可靠性高、相位特性好的优点，且一般都在50欧姆的微带线上进行调试。作为功率放大器，应该有较大的输出功率和较高的效率，同时也要满足带宽、增益和稳定性的要求。由于功率放大器处在大信号状态，放大过程中难免产生非线性失真，在设计中必须着重考虑。因此，设计一功率放大器的
8、关键是合理的选择功放管、正确确定工作状态、精心设计匹配网络和选择合适的电路等等。 本文的工作就是进行微波功率放大器的优化和设计。其中，第二章介绍了微波功率放大器的非线性特性和各种常用线性化技术的基本原理；第三章介绍了微波功率放大器的设计原理；本文的第四章首先叙述了2.4GHz功率放大器的研制和设计，然后用ADS软件进行优化仿真，并对所设计的放大器进行加工制作，最后实验调试。按照所给定的指标要求，本文研究的功率放大器预期达到以下技术指标：工作频率：2400 MHz 功率增益：10dB第二章 微波功率放大器的非线性特性当微波功率放大器工作在大信号情况时，其幅度和相位特性的非线性会引起信号失真，产生
9、互调和相位噪声1。2.1 单级功率放大器的非线性分析假设有一功率放大器，该放大器具有非线性，其输入、输出特性如图2-1所示。PoutPin图2-1 功放输入、输出特性其输出电压可以用输入电压的幂级数表示，即 (2-1) (2-2)则变为 (2-3) 那么基波功率为 (mW) (2-4)输入功率为 (mW) (2-5)定义增益G为 (2-6)定义线性增益为 (2-7)那么1dB压缩点增益为利用上式可求得 (k30) (2-8)把（2-8）式代入（2-4）求出1dB压缩点功率 (2-9) (2-10)则（2-1）式变成 (2-11)由上式可见放大器输入、输出频谱如图2-2所示，从图2-2可以看出，
10、非线性放大器会产生许多杂散频率，其中在频带外,而在频带内，即为交调产物。Pout(dBm)Pin(dBm)PI3 2+ 32- 2-图2-2 放大器输入、输出频谱图 2+图2-3 放大器输入输出特性放大器线性部分的延长线与三次交调产物线性部分延长线相交点的输出功率为截断点，该点是衡量放大器线性的一个参数。如图2-3所示。设两个三次交调产物功率和为，两个基波线性输出功率和为，两基波输出功率和为，两基波输入功率和为，则 (mW) (2-12) (mW) (2-13) (mW) (2-14) (mW) (2-15)令 ，得 ，代入（2-13）式则 （dBm） (2-16)由上述关系还可以导出 (2-
11、17)整理（2-12）式可得 (2-18)式中 (2-19)解（2-18）式得 （j=0,1,2） (2-20)上式成立条件为。当时，并以此为据从（2-20）式中选取合适的解，其中 cos=1.51875y-1 (2-21)令 则 (2-22)将（2-22）式代入（2-12）、（2-13）式，得 （dBm） (2-23) （dBm） (2-24)将（2-23）、（2-16）式代入（2-17）式得 （dB） (2-25)这样，利用（2-19）、（2-21）、（2-22）、（2-25）式即可求出放大器的交调。下面分析多级级联放大器的非线性特性。 2.2多级级联功率放大器的非线性特性分析从以上分析可以看出，要求出多级级联功率放大器的交调 ，必须知道级联时的及 。下面进行分析，如图2-4所示，共有m个功放级联，各级增益为， ，各级截断点功率为 ， 。 A1 A2 A3 Am 图 2-4 设各级增益和输入、输出阻抗均为常数，且各级的非线性不相互作用，这样整个级联系统的工
